JP2004149867A - Gas diffusion electrode and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas diffusion electrode which is used for a cathode for oxygen generation in brine electrolysis and used for a fuel cell or the like, is manufactured by a simple operation in a short period of time, and has a gas feed layer and a reaction layer having a uniformly or optionally changing structure, and to provide a manufacturing method therefor. <P>SOLUTION: This manufacturing method is characterized by using a porous body for the gas supply layer or/and the reaction layer, which is obtained by means of electrophoretically precipitating fine particles for forming the gas diffusion electrode, from a dispersion liquid containing the fine particles for forming the gas diffusion electrode, of which the electrophoretic mobility is adjusted, on the surface of a substrate disposed on an electroconductive base material or in the proximity. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、食塩電解の酸素陰極や燃料電池等に用いられるガス拡散電極と、その製造方法に関し、より詳しくは、簡単な操作で短時間に製造することが可能で、かつ、均一又は任意に変化させた層構成のガス供給層及び反応層を有するガス拡散電極及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ガス拡散電極は、食塩電解の酸素陰極や、水素燃料電池等に使用される電極であって、このガス拡散電極を用いる燃料電池は、酸素を供給する酸素極(カソード)と、電解質を保持する電解質板及び燃料が供給される燃料極(アノード)の3つの要素から構成され、食塩電解では、酸素を供給する酸素極(カソード)のみを酸素陰極として用いられている。
【0003】
特に、固体高分子電解質型の燃料電池では、イオン交換膜(固体高分子電解質膜)の両面に、ガス拡散電極が配置された構造を有し、このガス拡散電極は、通常の状態では、固定表面である電極上において電解質と供給された反応ガスが、電気化学的に反応しつつ、発電又は復極を行うもので、反応層とガス供給層から構成される。
【0004】
これらのガス拡散電極は、基本的には、触媒、カーボンブラック、四フッ化エチレン樹脂(PTFE分散液)及び集電体から構成され、通常その厚みは0.6mm程度で、この内の0.5mm程度がガス供給層、0.1mm程度が反応層という構造を有し、ガス供給層は、例えば、疎水性カーボンブラックと、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の微粒子を構成成分とし、また、反応層は、触媒微粒子、親水性カーボンブラック、疎水性カーボンブラック及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の微粒子を構成成分とするものである。
【0005】
これらガス拡散電極の製造方法に関して、出願人は、例えば、上記のような微粒子をペースト状にして塗布する方法(例えば特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)より簡単な手段で、ガス拡散電極、さらには固体高分子電解質型の燃料電池の基本要素であるガス拡散電極の反応層、ガス供給層を製造する方法について、一つの提案をおこなった(特許文献4参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−102071公報(特許請求の範囲、請求項4)
【特許文献2】
特開2001−160403公報(実施例1)
【特許文献3】
特開平7−134993号公報(特許請求の範囲)
【特許文献4】
国際公開WO01/94688号公報(特許請求の範囲)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
この提案の発明は、フッ素樹脂微粒子を主体とするガス拡散電極形成用微粒子を含有する含水率の高い分散液から、短時間で含水率の小さい、しかもフッ素樹脂の偏析による濃度差が生じない、均一な濃度分布を有するフッ素樹脂含有多孔質体、特にケーキ状のフッ素樹脂含有多孔質体を調製し、該フッ素樹脂含有多孔質体を用いて、ガス拡散電極の反応層やガス供給層を調製し、高性能で長寿命を有するガス拡散電極を、容易な製造方法で、かつコストを安く製造することを可能とする、優れたものである。
【0008】
また、この提案の発明は、量産性に優れ、簡単な装置によって安価に製造でき、しかも高性能で長寿命の、固体高分子電解質型の燃料電池の原材料となる固体高分子電解質膜を、ナフィオン(デュポン社製)などの固体高分子電解質の溶液(以下、溶液という。)からなる電気泳動液に、陰極と陽極とを浸し、電流を流すことで固体高分子電解質を陽極側に電気泳動させ、陽極上又は陽極近傍に設置した基体、具体的には多孔体上に電着させて調製することを可能とする、優れたものである。
【0009】
しかしながら、発明者らは、ガス拡散電極をさらに容易に、かつ短時間で調製することが可能で、しかも厚さにムラのないガス供給層及び/又は反応層を形成させることのできる方法について鋭意検討の結果、フッ素樹脂微粒子を主体とするガス拡散電極形成用微粒子を含有する分散液中に分散している微粒子を電気泳動させ、陽極上又は陽極近傍に設置した多孔体(基体)上に電着させる際、分散液の電気伝導度とともに、分散している微粒子が有する界面動電位(ゼータ電位;ζ電位)が電気泳動速度を決定する重要な要因であることを見出した。
【0010】
また、前記電気泳動速度は電着特性、さらには、得られるガス拡散電極の反応層、ガス供給層の特性に大きな影響を与え、ガス拡散電極を形成するガス供給層及び反応層を構成する成分を、電気泳動速度を変化させることによって、より詳しくは、それぞれの層内に均一に又は任意に変化させ、それらの成分を分配することによって、ガス拡散電極の反応層及びガス供給層の特性を変化させ得ることを見出し、この発明を完成したのである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
すなわち、この発明の請求項1に記載の発明は、
電気泳動速度を調整したガス拡散電極形成用微粒子を含有する分散液から、このガス拡散電極形成用微粒子を、導電性基材又は導電性基材近傍に配置した基体の表面に、電気泳動により析出させて得られた多孔質体をガス供給層又は/及び反応層に用いること
を特徴とするガス拡散電極の製造方法である。
【0012】
また、この発明の請求項2に記載の発明は、
請求項1に記載のガス拡散電極の製造方法において、
前記ガス拡散電極形成用微粒子は、
フッ素樹脂微粒子とカーボンブラック微粒子からなるものであること
を特徴とするものである。
【0013】
また、この発明の請求項3に記載の発明は、
請求項1に記載のガス拡散電極の製造方法において、
前記ガス拡散電極形成用微粒子は、
フッ素樹脂微粒子及びカーボンブラック微粒子並びに高分子電解質微粒子、金属コロイド、金属微粒子及び金属酸化物微粒子から選ばれた1種又は2種以上の微粒子からなるものであること
を特徴とするものである。
【0014】
また、この発明の請求項4に記載の発明は、
請求項3に記載のガス拡散電極の製造方法において、
前記金属微粒子及び金属酸化物微粒子は、
カーボンブラックに担持されているものであること
を特徴とするものである。
【0015】
また、この発明の請求項5に記載の発明は、
請求項2〜4のいずれかに記載のガス拡散電極の製造方法において、
前記フッ素樹脂微粒子とカーボンブラック微粒子は、
分散液中の電気泳動速度を異なるように調整すること
を特徴とするものである。
【0016】
また、この発明の請求項6に記載の発明は、
請求項1〜5のいずれかに記載のガス拡散電極の製造方法において、
前記電気泳動速度の調整は、
微粒子の有するゼータ電位を変化させることにより行われるものであることを特徴とするものである。
【0017】
さらに、この発明の請求項7に記載の発明は、
請求項6に記載のガス拡散電極の製造方法において、
前記ゼータ電位の変化は、
微粒子分散液における界面活性剤の種類とその濃度、pHの調整又は微粒子分散液へのイオン解離性化合物の添加により行われること
を特徴とするものである。
【0018】
さらにまた、この発明の請求項8に記載の発明は、
請求項1〜7のいずれかに記載のガス拡散電極の製造方法で調製されたことを特徴とするガス拡散電極である。
【0019】
【発明の実施の形態】
この発明は、フッ素樹脂微粒子を主体とするガス拡散電極形成用の微粒子を含有する分散液から、電気泳動によってガス拡散電極材料を、導電性基材の表面に析出させて形成したフッ素樹脂含有多孔質体を電極のガス供給層又は/及び反応層に用いるガス拡散電極の製造方法に関するもので、ガス拡散電極形成用微粒子の電気泳動速度を調整してあることを最大の特長とするものである。
【0020】
このフッ素樹脂微粒子を主体とするガス拡散電極形成用材料を含有する分散液は、例えば、ガス供給層を形成させる分散液の場合は、疎水性カーボンブラックを、界面活性剤を含む水に撹拌分散させ、さらにジェットミルで分散操作を行なって、1ミクロン以下の粒径にし、これにPTFEディスパージョンなどのフッ素樹脂微粒子分散液を添加、撹拌混合して調製されるものであるが、分散液の電気伝導度を、低目に、また一定にするために、透析又は限外濾過処理を施して用いるのが好ましい。
【0021】
また、固体高分子電解質型の燃料電池用のガス拡散電極を調製する際などは、固体高分子電解質(フッ素系イオン交換樹脂:デュポン社製ナフィオンなど)微粒子を分散液に混合することも行われ、それにより反応層と固体高分子電解質膜との密着性を向上させている。
【0022】
さらに、分散液には、得られるフッ素樹脂含有多孔質の中に含まれる水分が多いと、アノード上から流出することがあるので、電着により形成させた多孔質体中の水分を低下させる、グリシン、トリエタノールアミン、塩化ラウリルピリジニウム、ピロガロール、ブチルトリエタノールアミンなどの含水率低下剤が添加剤として0.1〜2mmol/lの範囲内で加えられる。
【0023】
それらのフッ素樹脂微粒子としては、四フッ化エチレン樹脂、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体、三フッ化塩化エチレン樹脂及びパーフロロアルコキシ樹脂などの微粒子が用いられる。
【0024】
反応層を形成させるための分散液の場合は、疎水性カーボンブラックの他に、親水性カーボンブラック、触媒微粒子などを併用して同様に調製するものであるが、触媒と親水性カーボンブラックは別個の微粒子としてでなく、親水性カーボンブラック上に触媒が付着一体化したものも用いられる。
【0025】
フッ素樹脂微粒子は前記と同じものが用いられ、触媒としては、金、銀又は白金族金属、並びにこれらの合金からなど選ばれた金属又はそれらの酸化物の微粒子あるいはコロイドなどが用いられる。
【0026】
このフッ素樹脂微粒子を含め、これら液中に分散している微粒子は、その粒子径が0.1から数10μm程度で、コロイド状態あるいはそれに近い粒子で、粒子表面は種々の理由で帯電し、界面動電位(ゼータ電位)を有している。
【0027】
この発明においては、この微粒子が有しているゼータ電位を、微粒子の分散方法、分散液のpH調整、イオン解離性化合物の添加などにより調整し、結果として、それぞれの電気泳動速度を所望のものとした後、電気泳動させて、それらの微粒子を、導電性基材又は導電性基材近傍に配置した基体の表面に析出させて、ガス供給層又は/及び反応層として用いられる多孔質体を得るものである。
【0028】
ゼータ電位の調整方法としての、微粒子の分散方法、分散液のpH調製、イオン解離性化合物の添加などは、具体的には以下のようにして行われる。
【0029】
<微粒子の分散方法>
微粒子の分散は、界面活性剤としてポリオキシエチレン型非イオン界面活性剤が望ましく、この界面活性剤を1から8%程度含むイオン交換水を用いる。場合によっては、超純水を用いる。この界面活性剤含有水の伝導度が50μS/cmより大きい場合にはイオン交換樹脂層を通して脱イオンする。
【0030】
カーボンブラックを、界面活性剤含有水に分散するには、超音波ホモジナイザー、ジェットミル等が用いられる。特にジェットミルでの使用は、粒径が均一になるので望ましい。ジェットミルで分散する場合、1000〜2000kg/cmで3回以上通過させて分散するが高圧ほど粒径が小さく均一になる。
【0031】
カーボンブラックを分散したのち、PTFEディスバージョンを加えて攪拌混合することで、ガス供給層分散液ができる。反応層用分散液も同様に作製する。このとき、界面活性剤濃度が濃いほどカーボンブラックとPTFE微粒子のゼータ電位の比が大きくなるので、電着初期はカーボンブラック濃度が高く、電着終了持に低くなるようになり、ガス供給層又は/及び反応層として用いられる多孔質体における濃度傾斜を大きくすることができる。
【0032】
<分散液のpH調整>
通常の酸、アルカリでpHは調整できるが、特にアルカリ性にするときにはアンモニアが、酸性にするときには有機酸、炭酸が望ましい。ゼータ電位はpH4から10では余り変化しないが、pH2程度の酸性にするとマイナスの値のゼータ電位が0またはプラスとなる。pHが7から大きくずれると、伝導率が大きく成りすぎるので電着する場合は中性付近が望ましい。
【0033】
<界面活性剤>
ポリオキシエチレン系の界面活性剤としては、ユニオンカーバイト社製のトライトン(TritonX100)を含め、多くの界面活性剤メーカー、例えば、花王、ライオン、日本油脂、日光ケミカルズ、日本乳化剤、第一工業製薬、三洋化成等から市販されているものが用いられ、特にHLB=13.5付近の界面活性剤が好適に用いられる。
【0034】
具体的には、TritonX100以外に、例えば日本乳化剤のニューコール1310、第一工業製薬のNL−90、日本油脂のデイスパノールTOC、日光ケミカルズのBT−9、花王のLS−110、ライオンのレオコールSC−90等が挙げられる。
【0035】
この中で、5%水溶液にした場合に伝導率が100μS/cm以上となる界面活性剤は、電気泳動電着には適さない。伝導率を調整するには、イオン樹脂を通過させ、イオン性物質を除くことで使用可能になる場合がある。ゼータ電位はイオン交換することでより負の値になる。
【0036】
界面活性剤の種類を特定することは重要で、例えば、同一界面活性剤濃度でも界面活性剤の種類により異なるゼータ電位を与える。カーボンブラックの分散では、ゼータ電位の負の値が大きい順で、
ニューコール1310>デイスパノールTOC>TritonX100
となる。
【0037】
<PTFEディスパージョンの種類>
市販されているPTFEディスパージョンとしては、旭硝子製のXAD911、三井フロロケミカル製の30−J、ダイキン工業製のD−1を挙げることができるが、同一界面活性剤中でのゼータ電位は、負の値が大きい順で、
XAD911>30−J>D−1
である。
【0038】
この界面活性剤の種類と、その濃度及びPTFEディスパージョンの種類を変えることで、上記したPTFE濃度を傾斜させることができ、ニューコール1310とXAD911の組み合わせはPTFE濃度の傾斜が少なく、TritonX100とD−1の組み合わせはPTFE濃度の傾斜が大きい。
また、4%ニューコール1310水溶液のカーボンブラックNo.6のゼータ電位は−22.0mV、XAD911は−17.3mVである。この分散液からの電着物はPTFE濃度の傾斜が少なかった。
【0039】
<イオン解離性化合物の添加>
グリシン、アミノフェノール、第4級アンモニウム塩等のイオン解離性化合物を添加すると、ゼータ電位が変化する。
【0040】
特に、カーボンブラックとPTFE微粒子、それぞれのゼータ電位に与える効果が異なる。
例えば、4%TritonX100溶液中でのゼータ電位は、カーボンブラックNo.6=−30.0mV、D−1=−3.6mVであるが、0.1%のグリシンを添加するとそれぞれ、−29.0mV、−0.68mVとなる。
【0041】
したがって、グリシン添加分散液から電着するとよりPTFE濃度の傾斜が大きくなる。p−アミノフェノールを0.05%添加すると、カーボンブラックNo.6=−40.0mVとより負の値となるが、PTFE微粒子のゼータ電位はほとんど変化しない。また、これらの添加物は電着物の水分含有量の低減効果が大きい。
【0042】
陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤でも、ゼータ電位を制御できる。例えば、4%ニューコール1310水溶液に、陰イオン界面活性剤である花王製のポイズ520を0.01%添加すると、カーボンブラックNo.6のゼータ電位は−36.8V、XAD911は−17.4mVと、それぞれより大きな負の値となる。
【0043】
この発明のガス拡散電極の製造方法は、直流安定化電源、平行に置いた多孔質対極、銀網及びフッ素樹脂微粒子を主体とするガス拡散電極材料の分散液を、基本的な構成要素とするものである。
【0044】
具体的には、円筒状の容器の底部に銀網を敷いてアノードとしたのち、容器に分散液を満たし、この分散液の液面の少し下方に、ニッケル網を銀網と平行に設置してカソードとした電気泳動槽を用いて行うものである。
【0045】
電気泳動に際しては、理論上、アノードとカソードは、水平又は垂直に配置されたいずれの状態でも行うことができるが、分散液中に分散している疎水性カーボンブラックや、親水性カーボンブラックなどが重力により沈降し易いので、アノードとカソードは水平に配置し、かつ電気泳動によりフッ素樹脂微粒子などが移動する方向と重力による沈降方向が同じになるように、ガス拡散電極材料を付着させるアノードを下方に配置したものである。
【0046】
以下、この説明においては、アノードにガス拡散電極材料を析出付着させる方法について説明するが、アノードとカソードを前記のように配置することによって、ガス拡散電極材料の移動時間を短くすることでき、能率的であるだけではなく、導電性基材であるアノードに、ガス拡散電極材料を均一に付着させることができ、しかもその組成が等しくなるようにすることができる。
【0047】
電気泳動においては、アノードは必ずしも固定させている必要はなく、連続的に移動させるようにすれば、ガス拡散電極材料が均一に付着した多孔質体を連続的に製造することができるが、特に、多孔質体の基体となるアノードに金網を使用し、それを連続的に移動させることにより、多孔質体を連続的に製造することが好ましい。
【0048】
アノードの材料としては、貴金属、銀、銅、亜鉛、鉄、アルミニウム、ニッケル、ステンレスなどの金属及びそれらの合金、カーボンなどであればよく、カソードも同様で、極間は5〜100mmが好適であるが、あまり近いと短絡の心配があり、広いと高電圧電源が必要である。
【0049】
アノードの材料として、亜鉛、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルなどの金属を用いると、電着物がこれらの金属を0.01〜2%程度含むことになり、それらの微量金属は、ガス電極における触媒として機能する可能性があるが、それらの存在が問題となる場合は、アノードとして、炭素、白金、金、パラジウムなどを用いるのがよい。
【0050】
炭素板をアノードの材料とする場合、電着面が酸化反応により消耗するため、表面を亜鉛などの金属によりメッキして使用するのが好ましい。
【0051】
アノードとする金属の形状は網状がよいが、板状であってもよく、網状の場合には、網目の大きさが0.5〜2mm位のものが好適で、同様にカソードの形状も網状でも、板状でもよく、網状のものは、発生した水素の気泡が除去されやすいので好ましい。また、ガス拡散電極を用いることもできる。
【0052】
アノードの表面に、電極の補強のために、繊維状物質を密着させて電着し、繊維状物質を多孔質体に含ませることもできる。なお、アノードの表面にフィルター(濾紙)を密着させて設置することによって、フィルター上部にガス拡散電極材料を析出させることができるとともに、アノードと析出によって得られた多孔質体を容易に分離することができる。
【0053】
また、アノードとカソードの間に隔膜を設け、アノード室とカソード室を分離設置すると、カソードで水素の発生と共に生じたOHイオンにより、分散液がアルカリ性に移行し、電気伝導度が大きくなって電流が過大になり、電着は進行せず、電流が流れて液温の上昇をもたらし、電着に悪影響を与えるという問題の発生を防止できる。
【0054】
すなわち、隔膜により、電着槽をアノード室とカソード室に分離すると、カソードで発生したOHイオンのアノード室への移動を防ぎ、分散液の電気伝導度の上昇が防止でき、分散液のpH変化を少なく、カソードの汚れを小さくし、隔膜としては、多孔質膜及びイオン交換膜などが使用でき、イオン交換膜としては、陽イオン交換膜、陽イオン交換膜とカルボン酸膜の複合膜などを使用することができる。
【0055】
アノードとカソードの間に5〜300Vの直流電圧を加え、10〜200mA程度の電流を流し、20〜60分程度の通電を行い、アノード上に、電気泳動でフッ素樹脂含有多孔質体がケーキ状に析出する。析出率は90〜99%以上である。
【0056】
電源としては、直流定電圧、直流定電流、直流パルス電流などが用いられ、多孔質体中のフッ素樹脂濃度を均一にする、又は濃度に傾斜を持たせるなど目的に応じて使い分けることができる。
【0057】
電気泳動は常温で行うことが可能で好ましいが、例えば、電気泳動を高電圧、低微粒子濃度、高電気伝導度の分散液で行うと、ジュール熱によって分散液の温度が上昇することがある。
【0058】
また、液温が温度30℃を超えた分散液で電気泳動を行うと、得られるフッ素樹脂含有多孔質体中に存在する溶媒(水)が50%以上となって、フッ素樹脂含有多孔質体における微粒子同士の結合力が弱くなり、流動性が大きくなり、分散液から引き上げる際に、流出することがあるので、電気泳動は分散液が温度30℃を超えない範囲で、好ましくは温度20℃を超えないように液温を制御しながら行うのがよい。
【0059】
得られたフッ素樹脂含有多孔質体、特にケーキ状のフッ素樹脂含有多孔質体は乾燥した後、ソルベントナフサを加えロール掛けしてシート化することにより、ガス拡散電極の反応層用又はガス供給層用シートとすることができる。
【0060】
かくして得たガス供給層を用いてガス拡散電極を調製する際には、ガス拡散電極に長期安定性を付与するために、ガス供給層の表面に、フッ素樹脂の撥水層を全面に径1mm程度の点状であるいは部分的に帯状に設けるのが好ましい。
【0061】
得られたフッ素樹脂含有多孔質体の含水率が50%程度ある場合、フッ素樹脂含有多孔質体に乾燥の際、収縮によりひび割れの発生のおそれがあり、一旦生成したひび割れは、ホットプレス工程で外観上無くすることができても、ひび割れたところは、強度が他より少し落ちるため、このような場合には、乾燥する時の収縮力以上に電極の厚さ方向に加圧することでひび割れを防ぐことが望ましい。
【0062】
また、常温では乾燥に1日以上かかるので、乾燥に際し、温度を上げて水蒸気圧を高めることで素早く乾燥させることが好ましいが、乾燥温度としては温度200℃以下が好ましい。
【0063】
その際、乾燥温度があまり高いと、界面活性剤を含む系では分解が生じるおそれがあり、溶媒がアルコール等では、蒸気圧が高すぎて爆発的に蒸発するので電極が破壊されるおそれもあるので、それらの防止のために、フッ素樹脂微粒子含有多孔質体の表面を多孔膜で挟み、さらにそれを加圧下で気体が十分移動できる多孔体で挟んだ後、加圧、加熱下で溶媒を除去する方法が採用される。
【0064】
以下、この発明のガス拡散電極を具備する、固体高分子電解質型燃料電池の製法の一例について概略説明する。
【0065】
<ステップ1>
ステンレス箔などを陽極とし、箔上に順次、ガス供給層(疎水性カーボンブラック微粒子の分散されたフッ素樹脂微粒子を含む分散液による電気泳動)、反応層(疎水性カーボンブラック、親水性カーボンブラック、触媒、金属微粒子又は金属酸化物微粒子などの分散されたフッ素樹脂の分散液又は溶液による電気泳動)及び、固体高分子電解質膜(高分子電解質溶液による電気泳動)を電気泳動で電着形成し、得られたガス供給層、反応層及び固体高分子電解質膜の積層されたステンレス箔2枚を、生乾きの時点で、積層体を中側にして加熱圧接し接合した後、外側のステンレス箔を剥離して用いる。
【0066】
<ステップ2>
ステップ1と同様にして、ステンレス箔上に、反応層と固体高分子電解質膜を電気泳動で電着形成して得られた反応層と固体高分子電解質膜の積層体と、撥水化したカーボンペーパーなどをガス供給層として用いる。
【0067】
<ステップ3>
前記ステップ1と同様にして、ステンレス箔上に、反応層とガス供給層を、順次電気泳動で電着形成して得られた反応層とガス供給層の積層されたステンレス箔の2枚を、生乾きの時点で、固体高分子電解質膜を挟んで加熱圧接し、接合したのち、外側のステンレス箔を剥離する。
その際、反応層の電気泳動による調製において、電気泳動液に固体高分子電解質の溶液を併用するのが好ましく、それにより反応層と固体高分子電解質膜との密着性を向上することができる。
【0068】
<ステップ4>
電気泳動槽内で、陽極と陰極との間に固体高分子電解質膜を設け、電気泳動により移動する微粒子などを固体高分子電解質膜に付着させて、膜上に反応層、ガス供給層を形成させる。
【0069】
<ステップ5>
ステップ1と同様にして、ステンレス箔上に反応層、固体高分子電解質膜、反応層を順次電気泳動で電着形成して得られた反応層/固体高分子電解質膜/反応層の積層体と撥水化したカーボンペーパーなどをガス供給層として用いる。
【0070】
<ステップ6>
ステップ1と同様にして、ステンレス箔上に、ガス供給層、反応層、固体高分子電解質膜、反応層、ガス供給層を順次電気泳動で電着形成してガス供給層/反応層/固体高分子電解質膜/反応層/ガス供給層の積層体とし使用する。
【0071】
なお、上記製法は一例にすぎず、調製方法は前記方法に限定されるものではなく、前記したように、電気泳動により形成された反応層及び/又はガス供給層を乾燥し、ソルベントナフサなどを加えロール掛けしてシート化し、反応層及び/又はガス供給層シートとしてから利用することもでき、形成された反応層、ガス供給層を、生乾きの時点で加熱圧接する際、プレス板などに多孔体を用いることや、ガス供給層の表面に、フッ素樹脂の撥水層を全面に径1mm程度の点状で、あるいは部分的に帯状に設けることも同様に可能であり好ましい方法である。
【0072】
この発明においては、上記のようにフッ素樹脂の微粒子を含有する分散液、例えば、PTFEディスパージョンなどは、水を分散媒体とするもので、水中に分散されたフッ素樹脂微粒子、さらには、フッ素樹脂微粒子を含有した分散液に分散する疎水性カーボンブラックや親水性カーボンブラックも、通常、負イオンを帯び、ゼータ電位を有しているため、電気泳動によって、これら微粒子をアノードに付着させることにより、ガス拡散電極のガス供給層及び/又は反応層となるフッ素樹脂含有多孔質体が調製されるのである。
【0073】
その際、それらの微粒子が有するゼータ電位が粒子ごとに異なることがあり、異なったゼータ電位を有する微粒子は、同一電圧においては、電極に移動する速度、いわゆる電気泳動速度が異なり、微粒子の分散液中における成分割合が特定されていても、ゼータ電位の大きな粒子が早い速度で電極表面に移動し、析出するため、析出体の成分割合は、分散液中の成分割合が異なることとなる。
【0074】
したがって、成分的には、同一の組成の分散液を使用した場合においても、生成した析出体、すなわち、フッ素樹脂含有多孔質体の成分が異なり、特性の異なるものが得られることがある。
そのために、この発明では、ガス拡散電極形成用微粒子の分散液中でのゼータ電位を調整するのである。
【0075】
ガス拡散電極形成用微粒子の分散液中でのゼータ電位、すなわち、フッ素樹脂微粒子やカーボンブラック微粒子の分散液中のゼータ電位を等しいものに調整すれば、得られるフッ素樹脂含有多孔質体は成分的に均一な層から形成されるものとなる。
【0076】
また、格別にフッ素樹脂含有多孔質体に特性を付与したい時は、例えば表面と底面で疎水性に差をつけたい時などは、フッ素樹脂微粒子やカーボンブラック微粒子などのゼータ電位を異ならせることにより、底面側にはゼータ電位の大きい微粒子の割合を多く、表面側にはゼータ電位の小さい微粒子の割合を多くすることができ、特性に特異性を持つフッ素樹脂含有多孔質体が得られるのである。
【0077】
【実施例】
以下、この発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
実施例1
容器内の底に、ガス拡散電極の基体となる銀網をアノードとして設け、そこから上方に1cmの距離を隔てて、銀網のカソードをアノードと平行に設けて電気泳動槽とした。
トライトン4%含有蒸留水300ミリリットルに19.5gの疎水性カーボンブラックを加え、ジェットミルで1μm以下に分散させた。この分散液における疎水性カーボンブラックのゼータ電位は−31mVであった。
一方、トライトン4%含有蒸留水中でゼータ電位が−15mVであるPTFEディスパージョン(D−1、ダイキン工業製)を用意し、その14.7ミリリットルを前記カーボンブラック分散液に加え、ガス供給層を形成させるための分散液とした。この分散液を上記電気泳動槽に入れ、アノードとカソードとの間に直流安定化電源から30Vの直流電圧を45秒間印加すると、カーボンブラックとフッ素樹脂微粒子がアノード側に移動し析出し、ガス拡散電極のガス供給層として使用可能なフッ素樹脂含有多孔質体が得られた。
このフッ素樹脂含有多孔質体は、フッ素樹脂濃度が電極の深さ方向に対して、電着初期部は24.5%、終了部は42.5%と連続的に変化しているものであった。
【0078】
実施例2
界面活性剤の種類をニューコールとして実施例1と同様にガス供給層を作製した。4%ニューコール1310水溶液に、カーボンブラックNo.6を分散させるとゼータ電位は−22.0mV、同様にPTFEディスバージョンXAD911では−17.3mVであった。
この分散液からの電着物はPTFE濃度の傾斜が少なかった。また、このフッ素樹脂含有多孔質体は、フッ素樹脂濃度が電極の深さ方向に対して、電着初期部は34.5%、終了部は39.6%と連続的に変化しているものであった。
【0079】
実施例3
4%トライトン溶液1000ミリリットル中に、カーボンブラックNo.6を100g加え、ジェットミルで1500kg/cmで5回通過させ390nmの平均粒径の分散液とした。ゼータ電位は−30.0mVを示した。4%トライトン溶液中でPTFEディスバージョンD−1は−3.6mVのゼータ電位を示した。
これらの液に0.1%のグリシンを添加するとそれぞれ、No.6は−29.0mV、D−1は−0.68mVとなった。
カーボンブラック分散液にD−1を40%になるように加え攪拌混合した。このガス供給層分散液を用い実施例1と同様に電着した。
得られたフッ素樹脂含有多孔質体は、フッ素樹脂濃度が電極の深さ方向に対して、電着初期部は18.9%、終了部は56.8%と連続的に変化しているものであった。
【0080】
【発明の効果】
この発明のガス拡散電極は、例えば、導電性基材の表面に形成された、フッ素樹脂微粒子を主とするガス拡散電極材料が均一に分散しているフッ素樹脂含有多孔質体に、ソルベントナフサを加えることによって得られたシートを、ガス供給層又は反応層とするもので、性能及び寿命が向上したガス拡散電極を容易に、かつ短時間に調製することを可能にするのである。
【0081】
この発明においては、ガス拡散電極を製造するための装置構成を簡単にできるので、設備費を小さくでき、電極間にはほとんど電流が流れないので運転費が少なくて済み、電極間には平等電界が形成されるので、厚さむらのないガス供給層及び/又は反応層を形成することができる。
【0082】
電気泳動で、導電性基材の表面に、ガス拡散電極材料を早く付着させることができるので、短時間にガス供給層及び/又は反応層を形成することができ、連続的に集電体の金属網表面に微粒子を付着させて、ガス供給層及び/又は反応層を形成することができるので、量産性に優れているなどの効果を奏することができる。
【0083】
分散液の電気伝導度を、フッ素樹脂微粒子を分散液から析出させたり、分散液を破壊することなく、調整することができるので、電気伝導度が高いために、大面積の電着を行うときに大きな電源を必要とする、ジュール熱による著しい液温上昇をきたし、陽極で酸化反応が激しく起こり、陽極の銀網が溶解して銀イオンが多量に分散液に混入し、分散液を凝集させるなどの問題が発生させることがなく、さらに、電気伝導度を一定にすることにより電着量が一定し、得られるフッ素樹脂微粒子含有多孔質体の膜厚を一定にすることができるのである。
【0084】
特に、この発明においては、フッ素樹脂微粒子を始めとするガス拡散電極形成用微粒子の分散液中でのゼータ電位を調整したので、得られるフッ素樹脂含有多孔質体を構成する成分の割合を均一に又は傾斜を持たせることが容易にできるので、ガス拡散電極の品質を一定に維持することを容易にし、また、傾斜を持たせたことにより、ガス拡散電極に特異的な性能を付与する事ができるのである。
【0085】
また、この発明の製造方法によれば、得られたガス供給層用シート又は反応層用シートは、ひび割れのない乾燥したもので、その後の工程でシートが剥離することがなく、ホットプレス後に強度の不均一が無い、寿命の長いガス拡散電極が得られる。
【0086】
また、電気泳動によるため、両電極間にはほとんど電流が流れないので、消費電力も少なく、両電極間には平等電界が形成されるので、短時間で、厚さむらのない固体高分子電解質膜、反応層又はガス供給層を形成することができ、電気の力、いわゆるクーロン力で、ガス拡散電極材料の微粒子が電極表面へ付着するので、付着力も大きく、効率よくガス供給層及び/又は反応層を形成することができるなどの効果がある。
【0087】
したがって、この発明は、燃料電池や食塩電解の電極として、幅広く各種産業分野で利用され得るものである。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas diffusion electrode used for an oxygen cathode for salt electrolysis or a fuel cell, and a method for producing the same, and more specifically, can be produced in a short time with a simple operation, and is uniform or optionally. The present invention relates to a gas diffusion electrode having a gas supply layer and a reaction layer having a changed layer configuration, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
The gas diffusion electrode is an oxygen cathode for salt electrolysis or an electrode used for a hydrogen fuel cell. A fuel cell using this gas diffusion electrode holds an oxygen electrode (cathode) for supplying oxygen and an electrolyte. It is composed of three elements, an electrolyte plate and a fuel electrode (anode) to which fuel is supplied. In salt electrolysis, only an oxygen electrode (cathode) for supplying oxygen is used as an oxygen cathode.
[0003]
In particular, a solid polymer electrolyte type fuel cell has a structure in which gas diffusion electrodes are disposed on both sides of an ion exchange membrane (solid polymer electrolyte membrane), and this gas diffusion electrode is fixed in a normal state. The reactant gas supplied with the electrolyte on the surface electrode performs power generation or depolarization while electrochemically reacting, and includes a reaction layer and a gas supply layer.
[0004]
These gas diffusion electrodes are basically composed of a catalyst, carbon black, ethylene tetrafluoride resin (PTFE dispersion) and a current collector, and usually have a thickness of about 0.6 mm. The gas supply layer has a structure of about 5 mm as a gas supply layer and about 0.1 mm as a reaction layer. The gas supply layer contains, for example, hydrophobic carbon black and fine particles of polytetrafluoroethylene (PTFE) as components. The layer is composed of fine particles of catalyst, fine particles of hydrophilic carbon black, hydrophobic carbon black and fine particles of polytetrafluoroethylene (PTFE).
[0005]
Regarding the method of manufacturing these gas diffusion electrodes, the applicant has, for example, proposed a method of applying gas by a simpler method than the method of applying the above-mentioned fine particles in a paste form (for example, see Patent Documents 1, 2, and 3). One proposal was made on a method for manufacturing a diffusion electrode and a reaction layer and a gas supply layer of a gas diffusion electrode which are basic elements of a solid polymer electrolyte fuel cell (see Patent Document 4).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-102071 (Claims, Claim 4)
[Patent Document 2]
JP 2001-160403 A (Example 1)
[Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-134993 (claims)
[Patent Document 4]
International Publication WO01 / 94688 (Claims)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The invention of this proposal, from a dispersion having a high water content containing fine particles for forming a gas diffusion electrode mainly composed of fluororesin fine particles, has a small water content in a short time, and does not cause a concentration difference due to segregation of the fluororesin, A fluororesin-containing porous body having a uniform concentration distribution, in particular, a cake-like fluororesin-containing porous body is prepared, and a reaction layer or a gas supply layer of a gas diffusion electrode is prepared using the fluororesin-containing porous body. Further, the present invention is excellent in that a gas diffusion electrode having high performance and long life can be manufactured by an easy manufacturing method and at low cost.
[0008]
In addition, the invention of this proposal provides a solid polymer electrolyte membrane which is excellent in mass productivity, can be manufactured at a low cost with a simple device, and has a high performance and a long life. A cathode and an anode are immersed in an electrophoretic solution composed of a solution of a solid polymer electrolyte (hereinafter, referred to as a solution) such as (manufactured by DuPont), and an electric current is applied so that the solid polymer electrolyte is electrophoresed on the anode side. It is an excellent material that can be prepared by electrodeposition on a substrate placed on or near the anode, specifically on a porous body.
[0009]
However, the inventors have keenly sought a method capable of preparing a gas diffusion electrode more easily and in a shorter time, and capable of forming a gas supply layer and / or a reaction layer having a uniform thickness. As a result of the examination, the fine particles dispersed in the dispersion liquid containing the fine particles for forming the gas diffusion electrode mainly composed of the fluororesin fine particles were electrophoresed, and the electrophoresis was performed on the porous body (substrate) placed on or near the anode. It has been found that the electrokinetic potential (zeta potential; ζ potential) of the dispersed fine particles is an important factor in determining the electrophoretic speed, as well as the electric conductivity of the dispersion liquid during the deposition.
[0010]
Further, the electrophoresis speed has a great influence on the electrodeposition characteristics, and further on the obtained reaction layer of the gas diffusion electrode and the characteristics of the gas supply layer, and the components constituting the gas supply layer and the reaction layer forming the gas diffusion electrode. By changing the electrophoresis speed, more specifically, changing uniformly or arbitrarily in each layer, and distributing those components, the characteristics of the reaction layer and the gas supply layer of the gas diffusion electrode are changed. They found that they could be changed and completed this invention.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
That is, the invention described in claim 1 of the present invention
From the dispersion containing the fine particles for forming the gas diffusion electrode whose electrophoresis speed has been adjusted, the fine particles for forming the gas diffusion electrode are electrophoretically deposited on the surface of the conductive substrate or the substrate disposed near the conductive substrate. Using the porous body obtained by the above as a gas supply layer and / or a reaction layer
A method for manufacturing a gas diffusion electrode, characterized by the following.
[0012]
The invention described in claim 2 of the present invention
The method for producing a gas diffusion electrode according to claim 1,
The gas diffusion electrode forming fine particles,
Must consist of fluororesin fine particles and carbon black fine particles
It is characterized by the following.
[0013]
Further, the invention described in claim 3 of the present invention is:
The method for producing a gas diffusion electrode according to claim 1,
The gas diffusion electrode forming fine particles,
It is composed of one or more kinds of fine particles selected from fluororesin fine particles, carbon black fine particles, polymer electrolyte fine particles, metal colloid, metal fine particles and metal oxide fine particles.
It is characterized by the following.
[0014]
Further, the invention described in claim 4 of the present invention is:
The method for producing a gas diffusion electrode according to claim 3,
The metal fine particles and metal oxide fine particles,
Being carried on carbon black
It is characterized by the following.
[0015]
Further, the invention according to claim 5 of the present invention provides:
The method for producing a gas diffusion electrode according to any one of claims 2 to 4,
The fluororesin fine particles and carbon black fine particles,
Differently adjusting the electrophoresis speed in the dispersion
It is characterized by the following.
[0016]
Further, the invention described in claim 6 of the present invention is:
The method for producing a gas diffusion electrode according to any one of claims 1 to 5,
Adjustment of the electrophoresis speed,
It is performed by changing the zeta potential of the fine particles.
[0017]
Furthermore, the invention described in claim 7 of the present invention
The method for producing a gas diffusion electrode according to claim 6,
The change in the zeta potential is:
To be performed by adjusting the type of surfactant, its concentration and pH in the fine particle dispersion, or adding an ion dissociable compound to the fine particle dispersion.
It is characterized by the following.
[0018]
Furthermore, the invention according to claim 8 of the present invention provides:
A gas diffusion electrode prepared by the method for manufacturing a gas diffusion electrode according to claim 1.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention relates to a fluororesin-containing porous material formed by depositing a gas diffusion electrode material by electrophoresis from a dispersion containing fine particles for forming a gas diffusion electrode mainly composed of fluororesin fine particles on the surface of a conductive substrate. The present invention relates to a method for producing a gas diffusion electrode using a porous body for a gas supply layer and / or a reaction layer of an electrode, and has the greatest feature that the electrophoresis speed of fine particles for forming a gas diffusion electrode is adjusted. .
[0020]
The dispersion containing the material for forming a gas diffusion electrode mainly composed of fluororesin fine particles is, for example, in the case of a dispersion for forming a gas supply layer, a hydrophobic carbon black is stirred and dispersed in water containing a surfactant. Then, a dispersion operation is performed by a jet mill to obtain a particle diameter of 1 micron or less, and a dispersion liquid of fine fluororesin particles such as PTFE dispersion is added thereto, and the mixture is prepared by stirring and mixing. In order to make the electric conductivity low and constant, it is preferable to use dialysis or ultrafiltration.
[0021]
Also, when preparing a gas diffusion electrode for a solid polymer electrolyte type fuel cell, for example, fine particles of a solid polymer electrolyte (fluorine-based ion exchange resin: Nafion manufactured by DuPont) are mixed with the dispersion liquid. Thereby, the adhesion between the reaction layer and the solid polymer electrolyte membrane is improved.
[0022]
Furthermore, if the dispersion liquid contains a large amount of water contained in the obtained fluororesin-containing porous material, it may flow out of the anode, so that the water content in the porous body formed by electrodeposition is reduced. A water content reducing agent such as glycine, triethanolamine, laurylpyridinium chloride, pyrogallol, or butyltriethanolamine is added as an additive in the range of 0.1 to 2 mmol / l.
[0023]
As such fluororesin fine particles, fine particles of ethylene tetrafluoride resin, ethylene tetrafluoride / hexafluoropropylene copolymer, ethylene trifluoride chloride resin and perfluoroalkoxy resin are used.
[0024]
In the case of a dispersion liquid for forming a reaction layer, in addition to hydrophobic carbon black, hydrophilic carbon black, catalyst fine particles and the like are used in combination, but the catalyst and the hydrophilic carbon black are separately prepared. Not only fine particles of the above, but also those in which a catalyst is attached and integrated on hydrophilic carbon black are used.
[0025]
The same fluororesin fine particles as described above are used, and as the catalyst, fine particles or colloids of a metal selected from gold, silver or platinum group metals and their alloys or oxides thereof are used.
[0026]
The fine particles dispersed in these liquids, including the fluororesin fine particles, have a particle diameter of about 0.1 to several tens of μm and are in a colloidal state or a state close to the colloidal state. It has a kinetic potential (zeta potential).
[0027]
In the present invention, the zeta potential of the fine particles is adjusted by a method of dispersing the fine particles, adjusting the pH of the dispersion, adding an ion-dissociating compound, and the like, and as a result, the respective electrophoretic velocities can be adjusted to desired values. After that, the particles are subjected to electrophoresis to deposit those fine particles on the surface of the conductive substrate or the substrate disposed near the conductive substrate, thereby forming a porous body used as a gas supply layer or / and a reaction layer. What you get.
[0028]
The method of adjusting the zeta potential, the method of dispersing the fine particles, the adjustment of the pH of the dispersion, the addition of the ion dissociable compound, and the like are specifically performed as follows.
[0029]
<Dispersion method of fine particles>
For dispersion of the fine particles, a polyoxyethylene type nonionic surfactant is desirable as a surfactant, and ion exchange water containing about 1 to 8% of this surfactant is used. In some cases, ultrapure water is used. If the conductivity of the surfactant-containing water is greater than 50 μS / cm, the water is deionized through the ion exchange resin layer.
[0030]
In order to disperse the carbon black in the surfactant-containing water, an ultrasonic homogenizer, a jet mill, or the like is used. In particular, use in a jet mill is desirable because the particle size becomes uniform. 1000-2000kg / cm when dispersed by jet mill2The particles are dispersed by passing through at least three times.
[0031]
After dispersing the carbon black, a PTFE dispersion is added and mixed with stirring to form a gas supply layer dispersion. The reaction layer dispersion is prepared in the same manner. At this time, the ratio of the zeta potential between carbon black and PTFE fine particles increases as the surfactant concentration increases, so that the carbon black concentration is high at the beginning of electrodeposition and becomes low when the electrodeposition is completed. And / or the concentration gradient in the porous body used as the reaction layer can be increased.
[0032]
<PH adjustment of dispersion>
The pH can be adjusted with ordinary acids and alkalis, but ammonia is particularly desirable when making it alkaline, and organic acids and carbonic acids are desirable when making it acidic. The zeta potential does not change so much from pH 4 to 10, but if the pH is made acidic at about pH 2, the negative value of the zeta potential becomes 0 or positive. If the pH greatly deviates from 7, the conductivity becomes too large. Therefore, in the case of electrodeposition, it is desirable to be near neutral.
[0033]
<Surfactant>
Examples of polyoxyethylene surfactants include many surfactant manufacturers, including Triton (Triton X100) manufactured by Union Carbide, for example, Kao, Lion, Nippon Yushi, Nikko Chemicals, Nippon Emulsifier, Daiichi Kogyo Pharmaceutical And those commercially available from Sanyo Chemical Industries, Ltd., and particularly, a surfactant having an HLB of about 13.5 is preferably used.
[0034]
Specifically, in addition to Triton X100, for example, Newcol 1310 of Nippon Emulsifier, NL-90 of Daiichi Kogyo Seiyaku, Dispanol TOC of Nippon Oil & Fat, BT-9 of Nikko Chemicals, LS-110 of Kao, Leocol SC of Lion -90 and the like.
[0035]
Among them, surfactants having a conductivity of 100 μS / cm or more when made into a 5% aqueous solution are not suitable for electrophoretic electrodeposition. To adjust the conductivity, it may be possible to use the resin by passing the ionic resin and removing the ionic substance. The zeta potential becomes more negative by ion exchange.
[0036]
It is important to specify the type of surfactant. For example, even at the same surfactant concentration, different zeta potentials are given depending on the type of surfactant. In the dispersion of carbon black, the negative values of the zeta potential are in descending order,
New Coal 1310> Dispanol TOC> Triton X100
Becomes
[0037]
<Type of PTFE dispersion>
Commercially available PTFE dispersions include XAD911 manufactured by Asahi Glass, 30-J manufactured by Mitsui Fluorochemicals, and D-1 manufactured by Daikin Industries. The zeta potential in the same surfactant is negative. In the order of the value of
XAD911> 30-J> D-1
It is.
[0038]
By changing the type of this surfactant, its concentration and the type of PTFE dispersion, the above-mentioned PTFE concentration can be inclined. The combination of Newcol 1310 and XAD911 has a small PTFE concentration gradient, and Triton X100 and D The combination of -1 has a large slope of the PTFE concentration.
In addition, carbon black No. of 4% Newcol 1310 aqueous solution was used. The zeta potential of No. 6 is -22.0 mV, and that of XAD911 is -17.3 mV. The electrodeposit from this dispersion had a small slope of the PTFE concentration.
[0039]
<Addition of ion dissociable compound>
Addition of an ion-dissociating compound such as glycine, aminophenol, or quaternary ammonium salt changes the zeta potential.
[0040]
In particular, carbon black and PTFE fine particles have different effects on the zeta potential.
For example, the zeta potential in a 4% Triton X100 solution is determined by the carbon black No. Although 6 = -30.0 mV and D-1 = -3.6 mV, when 0.1% of glycine is added, they become -29.0 mV and -0.68 mV, respectively.
[0041]
Therefore, when the glycine-added dispersion is electrodeposited, the gradient of the PTFE concentration becomes larger. When 0.05% of p-aminophenol is added, carbon black no. 6 = -40.0 mV, which is a more negative value, but the zeta potential of the PTFE fine particles hardly changes. Further, these additives have a large effect of reducing the water content of the electrodeposit.
[0042]
The zeta potential can be controlled with an anionic surfactant or a cationic surfactant. For example, when 0.01% of Kao's Poise 520, which is an anionic surfactant, is added to a 4% aqueous solution of Newcol 1310, carbon black no. The zeta potential of No. 6 is -36.8 V, and that of XAD911 is -17.4 mV, which are larger negative values.
[0043]
The method for manufacturing a gas diffusion electrode of the present invention comprises, as basic components, a DC stabilized power supply, a porous counter electrode placed in parallel, a dispersion of a gas diffusion electrode material mainly composed of silver mesh and fluororesin fine particles. Things.
[0044]
Specifically, after a silver mesh is laid on the bottom of a cylindrical container to form an anode, the container is filled with a dispersion, and a nickel mesh is placed slightly below the liquid surface of the dispersion in parallel with the silver mesh. This is performed using an electrophoresis tank serving as a cathode.
[0045]
In the electrophoresis, in theory, the anode and the cathode can be performed in any state arranged horizontally or vertically, but hydrophobic carbon black or hydrophilic carbon black dispersed in a dispersion liquid can be used. The anode and cathode are placed horizontally, and the anode to which the gas diffusion electrode material is attached is placed below the anode so that the direction in which the fine particles of fluororesin moves by electrophoresis and the direction of sedimentation due to gravity are the same. It is arranged in.
[0046]
Hereinafter, in this description, a method of depositing and adhering the gas diffusion electrode material to the anode will be described. However, by disposing the anode and the cathode as described above, the moving time of the gas diffusion electrode material can be shortened, and the efficiency can be reduced. In addition to this, the gas diffusion electrode material can be uniformly attached to the anode which is the conductive base material, and the composition can be made equal.
[0047]
In electrophoresis, the anode does not necessarily need to be fixed, and if the anode is continuously moved, a porous body to which the gas diffusion electrode material is uniformly attached can be continuously manufactured. Preferably, a porous body is continuously produced by using a metal mesh as an anode serving as a base of the porous body and moving the same continuously.
[0048]
The material of the anode may be any metal such as noble metals, silver, copper, zinc, iron, aluminum, nickel, stainless steel, and alloys thereof, and carbon. The same applies to the cathode, and the gap between the electrodes is preferably 5 to 100 mm. However, if it is too close, there is a risk of short circuit, and if it is wide, a high voltage power supply is required.
[0049]
When metals such as zinc, copper, iron, aluminum, and nickel are used as the material of the anode, the electrodeposits contain about 0.01 to 2% of these metals. However, if their presence is a problem, it is preferable to use carbon, platinum, gold, palladium, or the like as the anode.
[0050]
When a carbon plate is used as the material of the anode, the electrodeposited surface is consumed by an oxidation reaction. Therefore, it is preferable that the surface is plated with a metal such as zinc before use.
[0051]
The shape of the metal used as the anode is preferably a net shape, but may be a plate shape. In the case of a net shape, a mesh having a mesh size of about 0.5 to 2 mm is preferable. However, it may be in the form of a plate, and is preferably in the form of a net, because the generated hydrogen bubbles are easily removed. Further, a gas diffusion electrode can be used.
[0052]
In order to reinforce the electrode, a fibrous substance can be adhered to the surface of the anode and electrodeposited, so that the fibrous substance can be included in the porous body. In addition, by installing a filter (filter paper) in close contact with the surface of the anode, the gas diffusion electrode material can be deposited on the upper part of the filter, and the anode and the porous body obtained by the deposition can be easily separated. Can be.
[0053]
Further, when a diaphragm is provided between the anode and the cathode, and the anode chamber and the cathode chamber are separately installed, OH generated along with generation of hydrogen at the cathode is generated.Due to the ions, the dispersion liquid becomes alkaline, the electrical conductivity increases, the current becomes excessive, the electrodeposition does not proceed, the current flows, the liquid temperature rises, and the electrodeposition is adversely affected. Can be prevented.
[0054]
That is, when the electrodeposition tank is separated into an anode chamber and a cathode chamber by a diaphragm, the OH generated at the cathode is reduced.Prevents the migration of ions to the anode compartment, prevents the increase in the electrical conductivity of the dispersion, reduces the pH change of the dispersion, reduces the contamination of the cathode, and uses porous membranes and ion exchange membranes as diaphragms. As the ion exchange membrane, a cation exchange membrane, a composite membrane of a cation exchange membrane and a carboxylic acid membrane, or the like can be used.
[0055]
A direct current voltage of 5 to 300 V is applied between the anode and the cathode, a current of about 10 to 200 mA is applied, and a current of about 20 to 60 minutes is applied. Precipitates out. The deposition rate is 90-99% or more.
[0056]
As the power source, a DC constant voltage, a DC constant current, a DC pulse current, or the like is used, and it can be used properly according to the purpose such as making the concentration of the fluororesin in the porous body uniform or giving the concentration a gradient.
[0057]
Although electrophoresis can be performed at room temperature, it is preferable. For example, when electrophoresis is performed using a dispersion having a high voltage, a low concentration of fine particles, and a high electrical conductivity, the temperature of the dispersion may increase due to Joule heat.
[0058]
Further, when electrophoresis is performed with a dispersion liquid having a temperature exceeding 30 ° C., the solvent (water) present in the obtained fluororesin-containing porous material becomes 50% or more, and the fluororesin-containing porous material In the electrophoresis, the dispersion does not exceed a temperature of 30 ° C., and preferably has a temperature of 20 ° C. It is good to control while controlling the liquid temperature so as not to exceed.
[0059]
The obtained fluororesin-containing porous body, in particular, a cake-like fluororesin-containing porous body is dried, and then added with solvent naphtha and rolled to form a sheet, thereby forming a reaction layer for a gas diffusion electrode or a gas supply layer. Sheet.
[0060]
When preparing a gas diffusion electrode using the gas supply layer thus obtained, in order to impart long-term stability to the gas diffusion electrode, a fluororesin water-repellent layer is formed on the entire surface of the gas supply layer with a diameter of 1 mm. It is preferable to provide a point-like or partially strip-like shape.
[0061]
When the water content of the obtained fluororesin-containing porous body is about 50%, when the fluororesin-containing porous body is dried, cracks may be generated due to shrinkage. Even if it can be eliminated from the appearance, the strength of the cracked part is slightly lower than others.In such a case, the crack is applied by pressing the electrode in the thickness direction more than the contraction force when drying. It is desirable to prevent.
[0062]
Further, since drying takes more than one day at room temperature, it is preferable to dry quickly by raising the temperature and increasing the water vapor pressure during drying. However, the drying temperature is preferably 200 ° C. or lower.
[0063]
At that time, if the drying temperature is too high, decomposition may occur in a system containing a surfactant, and if the solvent is alcohol or the like, the vapor pressure is too high and evaporates explosively, so the electrodes may be destroyed. Therefore, in order to prevent them, the surface of the porous body containing the fluororesin fine particles is sandwiched between porous films, and further sandwiched between the porous bodies under which gas can move sufficiently under pressure, and then the solvent is removed under pressure and heating. A removal method is employed.
[0064]
Hereinafter, an example of a method for manufacturing a solid polymer electrolyte fuel cell including the gas diffusion electrode of the present invention will be schematically described.
[0065]
<Step 1>
Using a stainless steel foil or the like as an anode, a gas supply layer (electrophoresis using a dispersion liquid containing fluorocarbon resin particles in which hydrophobic carbon black particles are dispersed) and a reaction layer (hydrophobic carbon black, hydrophilic carbon black, Electrophoresis using a dispersion or solution of a fluororesin dispersed with a catalyst, metal fine particles or metal oxide fine particles) and a solid polymer electrolyte membrane (electrophoresis using a polymer electrolyte solution) by electrophoresis, The two stainless steel foils on which the obtained gas supply layer, reaction layer, and solid polymer electrolyte membrane were laminated were heated and pressed with the laminated body in the middle at the time of fresh drying, and then the outer stainless steel foil was peeled off. Used.
[0066]
<Step 2>
In the same manner as in Step 1, a reaction layer and a solid polymer electrolyte membrane obtained by electrodepositing a reaction layer and a solid polymer electrolyte membrane on a stainless steel foil by electrophoresis, and water-repellent carbon Paper or the like is used as the gas supply layer.
[0067]
<Step 3>
In the same manner as in the step 1, a reaction layer and a gas supply layer were sequentially formed on the stainless steel foil by electrodeposition by electrophoresis. At the time of raw drying, the solid polymer electrolyte membrane is heated and pressed and joined, and then the outer stainless steel foil is peeled off.
In this case, in preparing the reaction layer by electrophoresis, it is preferable to use a solution of a solid polymer electrolyte in combination with the electrophoresis liquid, whereby the adhesion between the reaction layer and the solid polymer electrolyte membrane can be improved.
[0068]
<Step 4>
In the electrophoresis tank, a solid polymer electrolyte membrane is provided between the anode and the cathode, and fine particles moving by electrophoresis are attached to the solid polymer electrolyte membrane to form a reaction layer and a gas supply layer on the membrane. Let it.
[0069]
<Step 5>
In the same manner as in Step 1, a reaction layer, a solid polymer electrolyte membrane, and a laminate of a reaction layer / solid polymer electrolyte membrane / reaction layer obtained by electrodepositing the reaction layer by electrophoresis sequentially on a stainless steel foil Water-repellent carbon paper or the like is used as the gas supply layer.
[0070]
<Step 6>
In the same manner as in Step 1, a gas supply layer, a reaction layer, a solid polymer electrolyte membrane, a reaction layer, and a gas supply layer are sequentially electrodeposited on a stainless steel foil by electrophoresis to form a gas supply layer / reaction layer / solid height. Used as a laminate of molecular electrolyte membrane / reaction layer / gas supply layer.
[0071]
In addition, the said manufacturing method is only an example, and the preparation method is not limited to the said method, As mentioned above, the reaction layer and / or gas supply layer formed by electrophoresis are dried, and solvent naphtha etc. In addition, it can be rolled to form a sheet and used as a reaction layer and / or gas supply layer sheet. When the formed reaction layer and gas supply layer are heated and pressed at the time of fresh drying, a porous plate is formed on a press plate, etc. It is similarly possible and preferable to use a body or to provide a water-repellent layer made of a fluororesin on the entire surface of the gas supply layer in the form of a dot having a diameter of about 1 mm or a partial band.
[0072]
In the present invention, the dispersion liquid containing fine particles of the fluororesin as described above, for example, a PTFE dispersion or the like uses water as a dispersion medium, and the fine particles of the fluororesin dispersed in water. Hydrophobic carbon black and hydrophilic carbon black dispersed in a dispersion liquid containing fine particles also usually have negative ions and have a zeta potential.Thus, by attaching these fine particles to the anode by electrophoresis, Thus, a fluororesin-containing porous body serving as a gas supply layer and / or a reaction layer of the gas diffusion electrode is prepared.
[0073]
At that time, the zeta potential of the fine particles may be different for each particle, and the fine particles having different zeta potentials, at the same voltage, have different speeds at which they move to the electrodes, so-called electrophoretic speeds, and a dispersion of the fine particles. Even if the component ratio in the inside is specified, particles having a large zeta potential move to the electrode surface at a high speed and precipitate, so that the component ratio of the precipitate differs from the component ratio in the dispersion.
[0074]
Therefore, as for the components, even when the dispersions having the same composition are used, the formed precipitates, that is, the components of the fluororesin-containing porous body are different from each other, so that the one having different characteristics may be obtained.
For this purpose, in the present invention, the zeta potential in the dispersion liquid of the gas diffusion electrode forming fine particles is adjusted.
[0075]
If the zeta potential in the dispersion liquid of the gas diffusion electrode forming fine particles is adjusted to be equal to the zeta potential in the dispersion liquid of the fluororesin fine particles and the carbon black fine particles, the obtained fluororesin-containing porous body is componentally It is formed from a uniform layer.
[0076]
In addition, when it is desired to particularly impart properties to the fluororesin-containing porous body, for example, when it is desired to make a difference in hydrophobicity between the front surface and the bottom surface, by varying the zeta potential of the fluororesin fine particles or carbon black fine particles. On the bottom side, the ratio of fine particles having a high zeta potential can be increased, and on the surface side, the ratio of fine particles having a low zeta potential can be increased, so that a fluororesin-containing porous body having specific properties can be obtained. .
[0077]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples.
Example 1
At the bottom of the container, a silver mesh serving as a base of the gas diffusion electrode was provided as an anode, and a silver mesh cathode was provided in parallel with the anode at a distance of 1 cm upward therefrom to form an electrophoresis tank.
19.5 g of hydrophobic carbon black was added to 300 ml of distilled water containing 4% of Triton, and dispersed in a jet mill to 1 μm or less. The zeta potential of the hydrophobic carbon black in this dispersion was -31 mV.
On the other hand, a PTFE dispersion (D-1, manufactured by Daikin Industries, Ltd.) having a zeta potential of −15 mV in distilled water containing 4% of Triton was prepared, 14.7 ml of the dispersion was added to the carbon black dispersion, and a gas supply layer was formed. This was a dispersion for formation. This dispersion is placed in the above-mentioned electrophoresis tank, and a DC voltage of 30 V is applied between the anode and the cathode from a DC stabilizing power supply for 45 seconds. A fluororesin-containing porous body usable as a gas supply layer for the electrode was obtained.
In this fluororesin-containing porous body, the fluororesin concentration continuously changes from 24.5% at the electrodeposition initial portion to 42.5% at the end portion in the depth direction of the electrode. Was.
[0078]
Example 2
A gas supply layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that the type of the surfactant was Newcol. In a 4% aqueous solution of Newcol 1310, carbon black No. Dispersion of No. 6 gave a zeta potential of -22.0 mV, and similarly, a PTFE version XAD911 of -17.3 mV.
The electrodeposit from this dispersion had a small slope of the PTFE concentration. The fluororesin-containing porous body has a fluororesin concentration continuously varying from 34.5% at the electrodeposition initial portion to 39.6% at the end portion in the depth direction of the electrode. Met.
[0079]
Example 3
In 1000 ml of a 4% Triton solution, carbon black No. 6 and add 100 kg with a jet mill.2For 5 times to obtain a dispersion having an average particle size of 390 nm. The zeta potential showed -30.0 mV. In a 4% Triton solution, PTFE disversion D-1 exhibited a zeta potential of -3.6 mV.
When 0.1% glycine was added to these liquids, No. 1 was obtained. 6 was -29.0 mV, and D-1 was -0.68 mV.
D-1 was added to the carbon black dispersion to a concentration of 40%, followed by stirring and mixing. Electrodeposition was performed in the same manner as in Example 1 using this gas supply layer dispersion.
The obtained fluororesin-containing porous body has a fluororesin concentration continuously changing as 18.9% at the electrodeposition initial portion and 56.8% at the end portion in the depth direction of the electrode. Met.
[0080]
【The invention's effect】
The gas diffusion electrode of the present invention includes, for example, a solvent naphtha formed on a fluororesin-containing porous body in which a gas diffusion electrode material mainly composed of fluororesin fine particles is uniformly dispersed and formed on the surface of a conductive substrate. The sheet obtained by the addition is used as a gas supply layer or a reaction layer, and it is possible to easily and quickly prepare a gas diffusion electrode having improved performance and life.
[0081]
In the present invention, the equipment configuration for manufacturing the gas diffusion electrode can be simplified, so that the equipment cost can be reduced, the operation cost can be reduced because almost no current flows between the electrodes, and the equal electric field can be applied between the electrodes. Is formed, it is possible to form a gas supply layer and / or a reaction layer having a uniform thickness.
[0082]
Since the gas diffusion electrode material can be quickly attached to the surface of the conductive substrate by electrophoresis, the gas supply layer and / or the reaction layer can be formed in a short time, and the current collector can be continuously formed. Since the gas supply layer and / or the reaction layer can be formed by attaching fine particles to the surface of the metal net, effects such as excellent mass productivity can be obtained.
[0083]
The electric conductivity of the dispersion can be adjusted without precipitating the fluororesin fine particles from the dispersion or destroying the dispersion. A large power supply is required, causing a significant rise in the liquid temperature due to Joule heat, and the oxidation reaction occurs violently at the anode, dissolving the silver mesh of the anode, mixing a large amount of silver ions into the dispersion, and aggregating the dispersion. Such a problem does not occur, and furthermore, by making the electric conductivity constant, the amount of electrodeposition is made constant, and the film thickness of the obtained porous body containing fluororesin fine particles can be made constant.
[0084]
In particular, in the present invention, since the zeta potential in the dispersion liquid of the gas diffusion electrode forming fine particles including the fluororesin fine particles is adjusted, the ratio of the components constituting the obtained fluororesin-containing porous body is made uniform. Or, it is easy to have a slope, so it is easy to keep the quality of the gas diffusion electrode constant, and by giving the slope, it is possible to impart specific performance to the gas diffusion electrode. You can.
[0085]
Further, according to the production method of the present invention, the obtained gas supply layer sheet or reaction layer sheet is dried without cracking, and does not peel off in a subsequent step, and has a strength after hot pressing. And a long-life gas diffusion electrode without unevenness.
[0086]
In addition, because of the electrophoresis, almost no current flows between the two electrodes, so that power consumption is low and a uniform electric field is formed between the two electrodes. A film, a reaction layer or a gas supply layer can be formed, and the fine particles of the gas diffusion electrode material adhere to the electrode surface by the electric force, so-called Coulomb force. Alternatively, there is an effect that a reaction layer can be formed.
[0087]
Therefore, the present invention can be widely used in various industrial fields as a fuel cell or a salt electrolysis electrode.

Claims (8)

電気泳動速度を調整したガス拡散電極形成用微粒子を含有する分散液から、このガス拡散電極形成用微粒子を、導電性基材又は導電性基材近傍に配置した基体の表面に、電気泳動により析出させて得られた多孔質体をガス供給層又は/及び反応層に用いること
を特徴とするガス拡散電極の製造方法。
From the dispersion containing the fine particles for forming the gas diffusion electrode whose electrophoresis speed has been adjusted, the fine particles for forming the gas diffusion electrode are electrophoretically deposited on the surface of the conductive substrate or the substrate disposed near the conductive substrate. A method for producing a gas diffusion electrode, comprising using a porous body obtained by the above as a gas supply layer and / or a reaction layer.
前記ガス拡散電極形成用微粒子は、
フッ素樹脂微粒子とカーボンブラック微粒子からなるものであること
を特徴とする請求項1に記載のガス拡散電極の製造方法。
The gas diffusion electrode forming fine particles,
2. The method for producing a gas diffusion electrode according to claim 1, wherein the gas diffusion electrode is made of fluororesin fine particles and carbon black fine particles.
前記ガス拡散電極形成用微粒子は、
フッ素樹脂微粒子及びカーボンブラック微粒子並びに高分子電解質微粒子、金属コロイド、金属微粒子及び金属酸化物微粒子から選ばれた1種又は2種以上の微粒子からなるものであること
を特徴とする請求項1に記載のガス拡散電極の製造方法。
The gas diffusion electrode forming fine particles,
2. The composition according to claim 1, comprising one or more kinds of fine particles selected from fluororesin fine particles, carbon black fine particles, polymer electrolyte fine particles, metal colloid, metal fine particles and metal oxide fine particles. A method for producing a gas diffusion electrode.
前記金属微粒子及び金属酸化物微粒子は、
カーボンブラックに担持されているものであること
を特徴とする請求項3に記載のガス拡散電極の製造方法。
The metal fine particles and metal oxide fine particles,
The method for producing a gas diffusion electrode according to claim 3, wherein the gas diffusion electrode is supported on carbon black.
前記フッ素樹脂微粒子とカーボンブラック微粒子は、
分散液中の電気泳動速度を異なるように調整すること
を特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載のガス拡散電極の製造方法。
The fluororesin fine particles and carbon black fine particles,
The method for producing a gas diffusion electrode according to any one of claims 2 to 4, wherein the electrophoresis speed in the dispersion is adjusted to be different.
前記電気泳動速度の調整は、
微粒子の有するゼータ電位を変化させることにより行われるものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のガス拡散電極の製造方法。
Adjustment of the electrophoresis speed,
The method for producing a gas diffusion electrode according to claim 1, wherein the method is performed by changing the zeta potential of the fine particles.
前記ゼータ電位の変化は、
微粒子分散液における界面活性剤の種類とその濃度、pHの調整又は微粒子分散液へのイオン解離性化合物の添加により行われること
を特徴とする請求項6に記載のガス拡散電極の製造方法。
The change in the zeta potential is:
The method for producing a gas diffusion electrode according to claim 6, wherein the method is carried out by adjusting the type and concentration of a surfactant in the fine particle dispersion, adjusting the pH, or adding an ion-dissociable compound to the fine particle dispersion.
請求項1〜7のいずれかに記載のガス拡散電極の製造方法で調製されたことを特徴とするガス拡散電極。A gas diffusion electrode prepared by the method for manufacturing a gas diffusion electrode according to claim 1.
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